智能机械手结构设计

第三章智能机械手的整体构造设计智能机械手的构造设计应尽可能从仿生学的角度动身， 通过设计出仿人形的多指智能手来代替人手完成各种精细简单的操作。 它是机构、传动、掌握三大系统的综合设计，人类的四肢经过了几十万年进化，经过了大自完全仿照能人手的构造。智能机械手的机构设计手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、机构原理、传动方案、关节、手掌的构造及几何尺寸、传感系统的布置位置。首先要求机构具有较高的运动传动精度，较好的可控性和经济性 ;其次要求机构本身有较佳的机械特性。本文智能机械手的设计主要包括以下七个方面：手指关节运动副的型式手指自由度手指数目手指的构造型式(关节的数目及相对姿势)手指材料手指具体构造设计手掌构造设计手指关节运动副型式智能机械手的手指机构同其它任何机构一样，由假设干构件组成，构件之间则通过运动副彼此相连，用来产生确定的运动。运动副相当于人手的关节。常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副，它们的约束数分别为5、5、5、43，相应的自由度数目为l、1、1、23。由于各运动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动器又大多为一个自由度。所以在智能机械手关节驱动中，可以承受的只有转动副、移动副和螺旋副手指获得直线运动，其敏捷性明显要比只含转动副的手指要差，因此，本文所设计的智能机械手的运动副全部承受转动副。手指的自由度杆的姿势，从而保证手指与物体的接触处于最正确状态。但是我们也可以看到，自由度增多，构造也更简单，掌握也更难。对于 虽然不存在抓取和操作物体的灵活性，但其智能机械手的构造设计和掌握设计都很便利。本文设计的智能机械手每个手指有 2个关节。手指的数目能实行各种各样的抓取姿势去适应特别的任务要求。智能机械手的手指数目假设小于3个，则无法完成对抓取物体的微细操作，当手指数为 仿造人手的手指数目和构造，具有很多优势，假设技术允许可以完成人手的全部动作如图2-1，而且假设作为人的假肢则必需为 多于5，由于每个关节需要分别独立驱动，假设再加上假设干传感器，规划目一般取35学角度动身，为能实现对各种不同外形物体的抓取，本文设计的智能机械手的手指数目取为 5个。3-1通过对人手抓取任意物体方式的分析，可以将人手的抓取方式分为:手掌接触抓取、手指内侧接触抓取、手指侧面接触抓取、3个虚拟指的抓取、混合抓取等。而智能机械手对物体的操作即是实现不同抓取方式之间类型的抓取。指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指 1”，另外四指作为“虚拟指2”的相对面抓取。它具有良好的抓取敏捷性，抓取精度较高，但在抓取稳定性及抓取力上受到肯定限制。手掌接触抓取定义手掌为“虚拟指12”的相对面抓取。它以牺牲抓取敏捷性以换取抓取的稳定性，手掌和抓取稳定性。侧接触抓取大拇指为“虚拟指 1”，食指朝大拇指的侧面为“虚拟指2”接触面的抓取，其抓取敏捷性和稳定性介于指端接触抓取和手掌接触抓取之间。本文所设计的五指智能机械手构造简洁，易于掌握，又能满足它对于确性手指的构造形式Ⅰ Ⅱ Ⅲ 3-2由2直三种状况，共有9种不同的关节配置。由于轴线相交垂直使得传动布置较为困难，去掉这些状况还有 掌握方面以及本文争论对象的具体要求，承受第Ⅱ种手指构造。手指的材料为减轻重量，同时也由于手指所抓取物体一般都不是很大，所以，手指的构造材料一般选用铝合金，本文设计承受7A04(强度好，重量轻。在一些特别状况下，也可以承受碳素钢、铸钢、合成朔物体接触时的冲击，同时也可以增大接触摩擦力。手指具体构造设计通过以上对智能机械手手指的构造分析，我们得出了手指的具体构造如图3-33-5每指关节承受了由螺钉装配的活耳片，使手指关节的装拆更便利。指根座上预留螺钉孔，使五指能很简洁的装配在手掌上。除了传动轴和手掌外，整个手指承受 7A04材料;强度高，刚性好，重量轻。外表材料为橡胶，可削减手指与物体接触时的冲击和增大磨擦3-3拇指构造3-4食指构造3-5中指、无名指、小拇指构造手掌构造设计争论出来的智能机械手可以分为具有手掌 (以DLR手为代表)和不具有手掌(以JPL手为代表)两类。没有手掌的智能手，其抓取和操作的灵活性都比较好，对抓取尺寸比较小的物体并对其进展微细操作有利 ;而具有手掌的智能机械手，当手掌及各指的大面积接触被抓物体能使手爪充分发挥出抓取力，同时供给足够的摩擦力，从而大大提高其抓取稳定性。过优化设计来弥补敏捷性的缺乏，故本文争论对象选择有手掌的构造形式。不同而不同，几乎没有通用性。设计手掌主要考虑了手指根指座的支撑和定位安排、电机的安装定位、信号线的布置等因素。依据仿生学本文设计的手掌构造如图3-63-6它具有以下特点：手掌的掌心处为一平面，便于与手指协作抓握物体；LC4智能机械手传动方式的设计常见的几种比较常用的机械传动机构主要有以下几种：定等。大，冲击载荷小，传动平稳，噪音低；并具有自锁性。带传动：带传动是由固联于主动轴上的带轮，固联于从动轴上的带轮廉以及缓冲吸振等特点。主要的带传动类型有v带传动。链传动：它由链条和主，从动链轮所组成。链轮上制有特别齿形的齿，依靠链轮轮齿与链节的啮合来传动动力。链传动的优点是能保持准确的平均传动比，传动效率高轴上所受径向力小；但同时存在两根平行轴只能同向回转传动不能保持恒定的瞬时传递比。综上所述，依据智能机械手对于传动机构各种要求以及综合考虑个传动形式的优劣状况具体选择确定了各手指关节的传动机构。 食指2个关节和其余3个手指的第一个关节共7个电机。传动方式拇指关节1〔如图3-7所示〕，关节22个关节都承受蜗轮蜗杆传动〔如图 3-8所示〕；中指、无名指和小拇指的关节1承受蜗轮蜗杆，关节2〔如图3-9〕。3-7锥齿轮传动简图3-8蜗轮蜗杆传动简图3-9带轮传动简图智能机械手驱动动方式的设计性的作用。在一般状况下，机械手的驱动系统由驱动器和传动系统两局部组成。驱动器是驱动系统的核心部件，用以产生运动和力；传动系统将运动和力从驱动器传递到智能机械手各手指的关节。常见的驱动方式有：电驱动：它是是技术最成熟、应用最广泛的一种驱动方式 ,为大多数智能机械手所承受。从电机的静态刚、动态刚度、加速度、线性度、维护性、噪音等技术指标来看，是综合性能最好的一种。液压驱动;它具有很好的稳定性和牢靠性、很高的力矩体积比、很强的阻转力量,驱动器的构造简洁并且价格廉价等。但是 ,在智能机械手中承受液压驱动方式有很大的难度和弊端 ,如:存在较大的泄漏流量,微型阀对污染物格外敏感等。气压驱动：能量存储便利;传动介质空气来源于大气,猎取很便利;气压传动具有抗燃、防爆及不污染环境 ;且具有柔性，但是驱动器的刚度和空气的可压缩性有关,通常是很低的,并且驱动器的动态性能较差。其它的型驱动；如压电陶瓷驱动、可伸缩性聚合体驱动等。综合比较以上各种驱动方式的优缺点考虑到电驱动的技术比较成熟，而且电驱动具有良好的静态，动态刚度；大的加速度；好的线性度、易于维护、噪音低等这些优点，电驱动的综合性能明显比液压驱动和气压驱动来的所以选择电驱动作为智机械手的驱动方式。电机的选择智能机械手的选择电机一般从电机的转速和扭矩方面的性能做为主要数据来考虑，一般依据资料人手手指的运动速度为 4-5mm/s左右，依据各手指的传动比以及传动机构具体形式，依据估算得电机的转速应当在1918r/min左右。而且考虑到智能机械手的手指尺寸格外小一般的电机根本就不适用。必需选用微型电机依据综合比较国内外个厂家生产的微型电机的性能最终选择了faulhaber公司生产的MicroMo1516-006SR+型号的微型电机。由于电机的转速比较大，在联接机械传动局部之前，首先通过减速发动机进展了一次减速，由于其型号要与所选的电机型号相配，通过查阅资料进展比较，选用了与其配套的 GearheadMicro15/5型齿轮减速箱。智能机械手总体构造尺寸的设计肢经过了几十万年进化,经过了大自然的优胜劣汰的优化选参考人类手指的长度比例，并加以适当放大或缩小，或依据所设计的智能机械手的使用场合作适当的尺寸调整，依据测量本人手指的具体尺寸，给出智能机械手总体尺寸的参考，最终确定出智能机械手的总体构造尺寸 .。3-10智能机械手装配图通过对智能机械手手指、手掌以及驱动和传动系统的构造设计，我们得出了智能机械手总体构造，装配图如图 3-10所示。维了